Thursday, March 26, 2009

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VEW Transformatorstation Recklinghausen

Ölgefüllter Transformator für Mittelspannung (ohne Öl, angeschnittenes Gehäuse

Ein 30 VA-Netztransformator für eine Spannung von 12 V an der Sekundärseite (Breite etwa 60 mm)

Ein Transformator, kurz Trafo, ist ein Bauteil in der Elektrotechnik, das elektrische Energie oder Information zwischen induktiv gekoppelten Stromkreisen verlustarm überträgt. Transformatoren arbeiten mit Wechselspannung. Eine Gleichspannung kann nicht transformiert werden. In der Energiewirtschaft wird er auch als ruhende elektrische Maschine bezeichnet, da er im Gegensatz zu motorisch betriebenen Spannungsumformern keine mechanisch bewegten Teile besitzt.

Grundlagen

Die Spulen, oder Wicklungen, eines Transformators sind in der Regel galvanisch voneinander getrennt und nur magnetisch miteinander gekoppelt. Um diese Kopplung zu erhöhen, sind die Spulen meist auf einem gemeinsamen Eisen- oder Ferritkern angeordnet, dem Transformatorkern.

Die an der Primärwicklung angelegte Wechselspannung kann in der Sekundärwicklung erhöht oder verringert werden. Die Spannungsübersetzung richtet sich dabei nach dem Verhältnis der Windungszahlen der Wicklungen. Eingangs- und Ausgangsleistung sind aufgrund des in der Regel hohen Wirkungsgrades nahezu gleich.

Transformatoren zur Energieübertragung mit der Frequenz des Stromnetzes nennt man Umspanner (Bestandteil des Stromnetzes) oder Netztransformatoren (Bestandteil von Geräten und Anlagen, die am Stromnetz arbeiten). Transformatoren für messtechnische Zwecke sind Messwandler oder Stromwandler und jene für die Signalübertragung in der Nachrichtentechnik sowie auch in Schaltnetzteilen nennt man oft Übertrager.

Mit Transformatoren lässt sich elektrische Energie so umwandeln (hochtransformieren), dass sie über Hochspannungsleitungen über weite Strecken wirtschaftlich übertragen werden kann. In Netzteilen stellen sie Betriebsspannungen für elektronische Geräte zur Verfügung und sorgen für eine sichere Trennung vom Stromnetz. Bei der Übertragung von Signalen werden mit ihnen Impedanzen angepasst.

Die grundsätzliche Struktur dieses Artikels bedarf einer Überarbeitung. Näheres ist auf der Diskussionsseite: Die grundsätzliche Struktur angegeben. Hilf mit, ihn zu verbessern, und entferne anschließend diese Markierung.

Geschichte

Transformator von Zipernowsky, Déry und Bláthy

Patentzeichnung von William Stanley 1886

Die Erscheinung der Magnetfelderzeugung aus dem elektrischen Stromfluss und umgekehrt der Stromerzeugung aus einem veränderlichen Magnetfeld war seit Michael Faradays Entdeckungen 1831 bekannt. Aber erst in den achtziger Jahren des selben Jahrhunderts wurde das Transformator-Prinzip entwickelt.

Die Ungarn Károly Zipernowsky und Miksa Déri ließen 1882 die selbsterregende Wechselstrommaschine eintragen und beide entwickelten 1884 den aus zwei Maschinen (Generator und Motor) kombinierten Einankerumformer (siehe Umformer), aus dem nach der Einbeziehung von Ottó Titusz Bláthy die gemeinsame Erfindung, der Transformator wurde.

1885 ließen sich die Ungarn Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy ein Patent auf den Transformator erteilen. Dieser war mechanisch nach dem umgekehrten Prinzip der heutigen Transformatoren aufgebaut; die Leiterspulen waren um einen soliden Kern aus unmagnetischem Material gewunden, darüber wurden dicke Eisendraht-Lagen gelegt, die eine ferromagnetische Schale bildeten. Dieser Transformator wurde von der Firma Ganz & Cie in Budapest weltweit vertrieben.

Wesentlichen Anteil an der Verbreitung des Wechselstromsystems und mit ihm des Transformators hatte der US-Amerikaner George Westinghouse, der ansonsten durch die Erfindung der Druckluftbremse berühmt wurde. Westinghouse erkannte die Schwächen der damals von Edison betriebenen und favorisierten Gleichstrom-Energieverteilung und setzte vorrangig auf Wechselstrom. 1885 importierte Westinghouse eine Anzahl Gaulard-Gibbs-Transformatoren und einen Siemens-Wechselspannungsgenerator für die elektrische Beleuchtung in Pittsburgh. William Stanley führte im gleichen Jahr als Chefingenieur von Westinghouse in Pittsburgh wesentliche Verbesserungen an Lucien Gaulards und John Gibbs’ Gerät durch.

Westinghouse installierte 1886 in Great Barrington, Massachusetts, einen Wechselspannungsgenerator, dessen 500 Volt Wechselspannung zur Verteilung auf 3000 Volt hochtransformiert und dann zum Betrieb der elektrischen Beleuchtung an den Anschlussstellen wieder auf 100 Volt heruntertransformiert wurde.

Der dann zunehmende Einsatz von Transformatoren führte in Verbindung mit der Schaffung von Wechselstrom-Stromnetzen zur weiten Verbreitung der Elektroenergie, weil nur Hochspannungsleitungen den Transport von den Energielieferanten über große Entfernungen ohne allzu große Energieverluste ermöglichen.

Physikalische Grundlagen

Darstellung der baulichen und physikalischen Komponenten

Schaltbild eines Transformators mit Eisenkern; mit elektrischen Primär- (p) und Sekundärgrößen (s)

Ein geöffneter 100-VA-Trafo. Oben die Primärwicklung (230 V), unten die zwei Sekundärwicklungen (9 V).

Für die Wirkweise eines Transformators sind zwei physikalische Erscheinungen wesentlich:

  • Ein von elektrischem Strom durchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld (Elektromagnetismus)
  • Wenn sich der magnetische Fluss in einer Spule ändert, wird in ihr eine Spannung induziert.

Eine an die erste Spule („Primärspule“) im Primärstromkreis angelegte Wechselspannung erzeugt dem Induktionsgesetz folgend ein veränderliches Magnetfeld im Kern. Dieses Feld durchsetzt die zweite Spule („Sekundärspule“) in einem zweiten Stromkreis und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung („Sekundärspannung“).

Eine primäre Wechselspannung wird dabei mit Hilfe des magnetischen Wechselfeldes in eine zu ihr proportionale sekundäre Spannung transformiert, wobei das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung (im Idealfall) gleich dem Windungszahlverhältnis der beiden Spulen ist.

Da in der Sekundärspule nur dann eine Spannung induziert wird, wenn der sie durchsetzende magnetische Fluss sich ändert, ist das magnetische Wechselfeld und damit die primäre Wechselspannung als Betriebsspannung unerlässlich.

Soll eine Gleichspannung mittels Transformatoren auf eine andere Spannungsebene umgesetzt werden, ist die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom mittels Wechselrichter nötig, um anschließend transformiert werden zu können. Danach ist eine Gleichrichtung notwendig.

Kleinere kostengünstige Transformatoren bedingen hohe Frequenzen. So wird eine Wechselspannung über eine Gleichspannung in eine hochfrequente Spannung gewandelt. Diese Techniken finden beispielsweise bei Schaltnetzteilen Anwendung.

Die maximale Höhe der induzierten Spannung hängt neben der Eingangsspannung von der Windungszahl der Sekundärspule ab, die maximale Höhe des Stromes von deren Leiterquerschnitten und von den Kühlungsbedingungen.

In obiger Beschreibung wird kein (gemeinsamer) Eisenkern der Spulen erwähnt, trotzdem besitzen fast alle Transformatoren einen Kern aus Eisenblechen, Eisendrähten oder Ferrit. Der Grund liegt darin, dass bei tiefen Frequenzen (50 Hz) ohne Eisenkern extrem viele Windungen erforderlich wären, um den „Leerlaufstrom“ bei geringer Belastung ausreichend klein zu halten. Das würde erstens einen unwirtschaftlich hohen Kupferanteil erfordern, andererseits werden bei höheren Strömen in diesem sehr langen Draht enorme Ohmsche Verluste (= Erwärmung) erzeugt. Außerdem konzentriert der Eisenkern das Magnetfeld und verringert Streuverluste, die in der Praxis so gut wie immer dadurch auftreten, dass nicht alle Feldlinien des primären Magnetfeldes die Sekundärspule durchsetzen. Minimieren kann man diese durch ideal ineinander gewickelte Ringspulen (Toroidspulen), was aber nur bei speziellen Anwendungen Verwendung findet.

Beides kann man stark verringern, indem die Induktivität der Primärspule durch einen Eisenkern um ein Vielfaches vergrößert wird. Je höher die Betriebsfrequenz ist, desto kleiner kann der Eisenkern sein, bei einigen 100 kHz wie im Tesla-Transformator darf er vollständig entfallen.

Prinzipielle Ausführung

Spulen

Die Ausführung eines Transformators aus ausgestreckt nebeneinanderliegenden Leitern würde bewirken, dass ein großer Teil des Magnetfeldes als wirkungsloses Streufeld in der Umgebung entsteht. Dieses Streufeld würde einen großen Leerlaufstrom erfordern, der nicht für den eigentlichen Übertragungsvorgang zur Verfügung steht.

Daher werden die Leiter in Form von Spulen angelegt. Um den Verlust durch Streufelder möglichst klein zu halten, werden die Primär- und Sekundärspulen möglichst klein und eng ineinandergeschachtelt. Eine Nebenbedingung ist hierbei, dass die Leiter und auch die Spulen als Ganzes gegeneinander elektrisch isoliert sind, wozu meistens lackierte Drähte und die nachfolgende Lack- oder Gießharztränkung im Vakuum angewendet werden. Der Spulenkörper ist ein aus nichtmagnetischem Material, meistens aus Kunststoff bestehendes Formteil, das die Wicklungen aufnimmt, ihnen mechanische Stabilität gibt und sie nötigenfalls auch voneinander isoliert.

Die Spule für die Eingangsspannung wird Primärspule oder Primärwicklung genannt, die Spule, in der die Ausgangsspannung induziert wird, heißt Sekundärspule oder Sekundärwicklung. Das Verhältnis der Spannungen an den beiden Spulen ist theoretisch exakt das Verhältnis ihrer Windungszahlen, in der Praxis ist die Spannung an der Sekundärspule aufgrund von Streufeldern und Verlusten kleiner als der theoretische Wert.

Beispiel

Ein Transformator mit 1000 Windungen auf der Primärwicklung, 100 Windungen auf der Sekundärwicklung und 230 Volt Primärspannung erzeugt in der Sekundärwicklung eine Leerlaufspannung von 23 Volt. Diese Spannung entsteht im Leerlauf-Betrieb des Transformators. Die tatsächlich nutzbare Betriebs- oder Nennspannung sinkt jedoch mit zunehmender Belastung durch die Last, weil der Ausgangsstrom in den Spulen einen ohmschen Spannungsabfall bewirkt und sich das Streufeld erhöht.

Auslegung der Spulenwicklungen

Wie schon oben erwähnt, ist die Ausgangsspannung der Transformator-Sekundärspule theoretisch exakt so groß, wie es das Windungszahlverhältnis zwischen den Wicklungen und die Primärspannung vorgeben.

Es gilt:

\frac {U_1} {U_2} = \frac {I_2} {I_1} = \frac{n_1}{n_2} \,

mit

U1 – Primärspannung
U2 – Sekundärspannung
n1 – Primärwindungszahl
n2 – Sekundärwindungszahl

Dies gilt jedoch nur für den Leerlauf bzw. den unbelasteten Zustand. Sobald in der Sekundärspule ein Strom zu einem äußeren Verbraucher fließt, teilt sich die Leerlaufspannung auf die inneren elektrischen Widerstände des Transformators und des Verbrauchers auf. Die Streuinduktivität führt ebenfalls zu einer Verringerung der Spannung.

Wenn also eine bestimmte Spannung bei einer bestimmten Leistung entnommen werden soll, muss die Windungszahl der Sekundärspule für eine entsprechend höhere Leerlaufspannung ausgelegt werden. Die Spannung, die der Spule bei Nennleistung entnommen werden kann, wird „Nennspannung“ genannt. Die Nennleistung ist die für den regulären Dauerbetrieb vorgesehene Abgabeleistung auf der Sekundärseite. Rechnerisch kann stattdessen auch mit dem Nennstrom gearbeitet werden.

Beispiel: Für einen Transformatortyp ist von der Größe und vom Material her ein Leistungsverlust bei der Übertragung von 10 % bekannt. Bei der vorgesehenen Nennleistung soll die Sekundärspule genau 240 Volt abgeben. Die Windungszahl wird daher für eine Leerlaufspannung von

\frac{240\ \mathrm{V}}{1 - 0{,}1} = 266{,}\bar{6}\ \mathrm{V} \,

ausgelegt.

Bei Nennleistung liefert die Sekundärspule dann eine Spannung von

266{,}\bar{6}\ \mathrm{V} - 26{,}\bar{6}\ \mathrm{V} = 240\ \mathrm{V} \,

Ein Transformator kann statt einer einzelnen auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise haben. Die Sekundärwicklungen können eine oder mehrere Anzapfungen haben: so kann man auch mit einem Transformator mit nur einer Sekundärwicklung mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten.

Wicklungsanordnung

Bei Netztransformatoren mit nur einer Wickelkammer ist die Primärwicklung meist zuunterst gewickelt – bei niedrigeren Ausgangsspannungen schützt so der meist dickere Draht der Sekundärwicklung den dünnen Draht der Primärwicklung. Bei hoher Ausgangsspannung wird durch diesen Wicklungsaufbau die Isolation zum Kern erleichtert.

Audio-Transformatoren (Übertrager und Ausgangstransformatoren) haben oft ineinander greifende (sog. verschachtelte) Wicklungen, um die Streuinduktivität zu verringern und so die Übertragung hoher Frequenzen zu verbessern.

Bei Sicherheitstransformatoren sind Primär- und Sekundärwicklung in getrennten Kammern des aus Isolierstoff bestehenden Wickelkörpers untergebracht, um sie sicher voneinander zu isolieren.

Anzapfungen

Die Primärwicklung kann mehrere Anzapfungen haben; damit ist ein solcher Transformator für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, wobei dennoch auf gleiche Ausgangsspannungen transformiert wird.

Ein Transformator, der sowohl für den amerikanischen (120 Volt) als auch den europäischen Markt (230 Volt) einsetzbar sein soll, kann z. B. mit einer Anzapfung der Primärwicklung am Netztransformator und einem Umschalter versehen sein. Oft werden hierzu jedoch zwei Wicklungen für je 120 Volt aufgebracht, die wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Dadurch kann man die geringe Spannungsabweichung zugunsten des geringeren Kupferbedarfes meistens in Kauf nehmen. Auch die Sekundärwicklung kann Anzapfungen besitzen, um den Transformator zum Beispiel an unterschiedliche Belastungsfälle anzupassen oder mehrere Spannungen mit gleichem Bezug zu erzeugen.

Bei der Stromversorgung werden Netztransformatoren häufig mit schaltbaren Anzapfungen an der Primär- oder Sekundärwicklung ausgestattet. Die Anzapfungen können unter Last mit speziellen Lastschaltern je nach Erfordernis (Spannungs- oder Leistungsänderung) frei gewählt werden, beispielsweise bei elektrischen Lichtbogenöfen oder Bahnfahrzeugen. Eine Stromunterbrechung wird dabei durch kleine Hilfs-Stelltransformatoren vermieden.

Eine Sonderbauart ist der Spartransformator, der nur eine Spule besitzt, die eine oder mehrere zusätzliche Anzapfungen aufweist. Infolge Fehlens galvanischer Trennung der einzelnen Spannungsebenen ist seine Verwendung auf Spezialeinsätze beschränkt.

Beim Spartransformator ist nur eine einzige Wicklung mit einer oder mehreren Anzapfungen vorhanden – bei dieser Bauform ist nur Spannungsanpassung, jedoch keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangsspannung gegeben. Sein Vorteil ist die bei gleicher Übertragungsleistung geringere Masse – Eisen- und Kupferbedarf sind bei gleicher Nennlast wesentlich geringer.

Mittenanzapfung

Schaltzeichen eines Transformators mit Mittenanzapfung

Wird die Wicklung der Sekundärseite nach der Hälfte der Gesamtanzahl der Windungen aufgetrennt und nach außen geführt, so wird dies als Mitten- oder Mittelanzapfung bezeichnet. So stehen drei Spannungen im Verhältnis 1:1:2 zur Verfügung. Solche Transformatoren werden als Treiber- oder Ausgangsübertrager von Gegentakt-Endstufen sowie zur Speisung einer Zweiwege-Gleichrichtung eingesetzt. Eine solche „Mittelanzapfung“ kann man auch schaffen, indem man zwei Wicklungen mit gleicher Anzahl von Windungen auf die Sekundärseite aufbringt und diese polrichtig in Reihe schaltet. Dadurch erhält man zwei gleiche Spannungen, die sich addieren.

Lufttransformator bzw. eisenloser Transformator

Die kernlose Ausführung (Lufttransformator) ist bei niedrigen Frequenzen nicht effizient bzw. realisierbar. Ursache ist, dass die Primärspule dann extrem viele Windungen besitzen müsste, um die erforderliche hohe Primärinduktivität zu erzeugen. Der dann erforderliche sehr lange Draht hätte aber so großen Widerstand, dass darin ein Großteil der zugeführten Leistung in Wärme verwandelt würde.

Das von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugte Magnetfeld ist in der Luft oder im Vakuum mit einer Flussdichte von relativ geringer Stärke verbunden, magnetische Kopplung und Induktivität der Spulen sind gering und würden sehr hohe Betriebsfrequenzen erfordern.

Lufttransformatoren haben den Vorteil, in der Sekundärspule eine Spannung mit exakter Nachbildung der zeitlichen Veränderung des Primärstroms zu liefern, auch wenn der Primärwechselstrom relativ hohe Frequenzen enthält. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Frequenzanteile des Stromes sich über eine große Bandbreite erstrecken. Daher werden für manche Zwecke Lufttransformatoren als Übertrager verwendet.

Beispiele sind der Teslatransformator, Koppel- und Anpassspulen in der Hochfrequenztechnik und die Rogowskispule.

Eisenkerntransformator

Ölgekühlter Transformator ohne Gehäuse

Das Öl im Transformatorgehäuse dient sowohl der Isolation der Wicklungen als auch dem Kühlen. Der Querschnitt der Wickelungsdrähte wird aus Kostengründen so klein wie möglich gehalten, was eine starke Erwärmung zur Folge hat. Nachteilig ist die Entflammbarkeit des Öls bei hohen Temperaturen. Insofern ergibt sich eine hohe Brandlast. Daher werden derzeit zunehmend Transformatoren mit Epoxydharz-isolierten Wicklungen gebaut. Diese werden als Trockentransformatoren bezeichnet (Beispiel: Geafol).

Es ist möglich, die Flussdichte erheblich zu steigern, indem das magnetische Feld der Spulen in einem geschlossenen magnetischen Kreis aus ferromagnetischem Material, bei Netztransformatoren z. B. Eisen – dem Transformatorkern – geführt wird. Für Netztransformatoren (Betriebsfrequenz 50 oder 60 Hz) verwendet man überwiegend Eisen-Silizium-Legierungen, kornorientertes Elektroblech (Texturblech) nach DIN EN 10107. Bei Signalübertragern werden auch die höherwertigen Eisen-Nickel-Legierungen und bei hohen Frequenzen (z. B. Schaltnetzteil-Übertrager) weichmagnetische Ferritkerne eingesetzt.

Die Steigerung der Flussdichte bei ferromagnetischen Werkstoffen beruht darauf, dass sich mit zunehmender Stärke eines von außen angelegten Magnetfeldes die regellos ausgerichteten magnetischen Kristallbereiche (Weiss-Bezirke) in eine gemeinsame Richtung umordnen. Diese magnetische Polarisation M des Werkstoffes liefert einen 1000 bis 100.000 mal höheren Beitrag zur Flussdichte B als die magnetische Feldstärke H. Diese Verhältniszahl nennt man Magnetische Suszeptibilität χ, es gilt

M=\chi H \,

Für die magnetische Flussdichte B gilt

B=\mu_0(H+M)=\mu_0(H+\chi H)=\mu_0(1+\chi)H \,

und daraus schließlich

B=\mu_0\mu_r H \,
\mu_0 \, ist die magnetische Feldkonstante.

Die dimensionslose Zahl μr = 1 + χ wird relative Permeabilitätskonstante oder Permeabilitätszahl genannt und ist werkstoffspezifisch.

Für die Leistungsübertragung im Stromnetz verwendete Transformatoren haben immer einen geschlossenen Eisenkern, auf den die Spulen aufgebracht werden. Der Querschnitt des Eisenkerns wird so gewählt, dass die Flussdichte möglichst im gesamten Eisen-Kern konstant ist und nicht zu nahe an die magnetische Sättigungsflussdichte kommt. Kerne für einphasige Transformatoren aus drei Schenkeln mit Primär- und Sekundärspule auf dem Mittelschenkel (M-Kerne) haben daher Außenschenkel mit dem halben Querschnitt des Mittelschenkels.

Die maximale Flussdichte liegt bei Eisen je nach Spezifikation bei 1,5…2 T. Bei Ferriten liegt sie bei etwa 400 mT.

Bei der Auslegung des Eisenkerns und der Windungszahl n sind folgende Zusammenhänge unter bestimmten Randbedingungen (sinusförmige Spannungsform, homogener luftspaltloser magnetischer Kreis) gültig:

(1)n = \frac{50 \cdot 45 \cdot U}{f \cdot A_\text{Fe} \cdot \Delta B} \,

mit

n – Windungszahl
ΔB – Induktionsamplitude (Flussdichteänderung) in Tesla
U – Effektivwert der Spannung in Volt
AFe – magnetischer Kernquerschnitt in cm2
f – Frequenz in Hz

An manche Transformatoren werden besonders hohe Anforderungen an die Linearität der Strom-Spannungs-Kennlinie gestellt oder sie dienen gleichzeitig der Zwischenspeicherung magnetischer Energie (Sperrwandler). Dies kann durch einen Luftspalt im magnetischen Kreis erreicht werden (quasi eine Mischform von Lufttransformator und Eisenkerntransformator). Der Feldstärkebedarf und damit der Magnetisierungsstrom steigen, die Kennlinie wird geschert bzw. linearisiert. Die im Luftspalt gespeicherte magnetische Energie vergrößert die Blindleistung, wird jedoch fast verlustfrei wieder abgegeben.

Luftspalte vergrößern den Streufluss, der möglicherweise anderswo, z. B. im Trafokessel, zu Verlusten und Störungen führt.

Luftspalte werden bei Gleichstrom-Anteilen im Primärstrom (siehe Ausgangsübertrager) und bei Sperrwandler-Übertragern benötigt.

Flachtransformator zur Montage auf Leiterplatten

Leistungstransformatoren für Frequenzen unterhalb von etwa 1 kHz haben meistens Kerne, die aus elektrisch gegeneinander isolierten Eisenblechen (Elektroblech) bestehen. Die Kerne müssen geblecht sein, weil unter dem Einfluss des Magnetfeldes im Eisen als leitendem Material genauso wie in der Sekundärspule Spannungen induziert werden, die im Vollmaterial zu Wirbelströmen führen. Diese Wirbelströme erzeugen Verluste, die umso höher sind, je besser die elektrische Leitfähigkeit des Kernes ist. Der Stromweg wird durch die Verwendung von dünnen Blechen, die voneinander isoliert sind, unterbrochen. Eine Beschädigung der Isolierung der einzelnen Blechpakete kann bei großen Transformatoren zu einer erheblichen lokalen Erwärmung des Paketes führen.

Der Eisenkern verursacht weiterhin Ummagnetisierungsverluste, die durch die fortwährende Umpolung der magnetischen Domänen (Weiss-Bezirke) entstehen und auch bei Leerlauf auftreten. Silizium-Eisen-Legierungen mit spezieller Textur haben bei Blechdicken von etwa 0,2 bis 0,3 mm bei 50 Hz Verluste von etwa 0,5 bis 1 W/kg je nach der Stärke des Magnetfelds, das durch die Spulen induziert wird.

Das Magnetisierungsverhalten des Eisens ist bis zur Sättigungsflussdichte weitgehend linear. Durch das lineare Verhalten bleibt der aufgenommene Leerlauf-Wechselstrom weitgehend sinusförmig. Bei der Transformation bleibt die Kurvenform der Eingangsspannung weitestgehend erhalten – lediglich Oberwellen werden aufgrund der Streuinduktivität gedämpft, was jedoch bei Netztransformatoren sogar erwünscht ist.

Eisen hat wie andere ferromagnetische Werkstoffe eine Grenze für die Linearität zwischen Feldstärke und magnetischem Fluss, die dann erreicht wird, wenn alle Weiss-Bezirke seiner Struktur einheitlich ausgerichtet sind. Bei dieser Sättigungsmagnetisierung kann das Eisen keiner weiteren Verstärkung der Feldstärke folgen, der Primärstrom steigt dann steil an. Bei der Konstruktion des Transformators muss daher der Kern möglichst exakt so bemessen werden, dass das Eisen sich auch bei Überspannungen im Stromnetz noch im linearen Bereich seiner Hysterese-Kennlinie befindet.

Ob ein Transformatorkern in die unerwünschte magnetische Sättigung gerät, hängt von der Höhe der Primärspannung ab – ist die Primärspannung in Bezug zu Kernquerschnitt bzw. Kernmaterial, Windungszahl und Frequenz zu hoch, gerät der Transformator in die Sättigung. Die Stromaufnahme steigt steil an. Die magnetische Sättigung setzt bei Belastung des Transformators bei etwas höherer Spannung ein, da die magnetische Feldstärke aufgrund des Spannungsabfalles am ohmschen Widerstand der Primärwicklung etwas abnimmt. Eine starke Belastung oder gar ein Kurzschluss der Sekundärseite führt zu einer wesentlich geringeren magnetischen Feldstärke im Kern und gleichzeitig zu einem starken Streufeld. Dieses kann zum Auslösen eines Kurzschlussschutzes (magnetische Sicherung) genutzt werden.

Die Hysterese-Kennlinie bildet den Zusammenhang zwischen Magnetfeldstärke und Erregerfeld bei dessen Anstieg und Rückgang ab. An ihr kann man sowohl die Sättigungsinduktion als auch die Ummagnetisierungsverluste erkennen.

Für Transformatoren für höhere Frequenzen werden für die Kerne statt Eisen auch andere weichmagnetische Werkstoffe wie z. B. Ferrite, amorphe Metallbandkerne oder Pulverkerne verwendet.

Kernbauformen

Ringkerntransformator

Datei:Kern und Ringkerntrafo 100VA.JPG

Kern und daraus hergestellter 100-VA-Ringkerntrafo

Transformatoren mit Ringkernen haben bei gleicher Masse, verglichen mit anderen Kernbauformen, den höchsten Wirkungsgrad, da aufgrund der geschlossenen, luftspaltfreien Ringkernform die Leerlaufverluste, davon hauptsächlich die Ummagnetisierungsverluste, minimal und bis zu 40-mal geringer als bei eckigen Kernbauformen sind.

Trafo-Ringkerne können aus ferromagnetischem Blech und für höhere Frequenzen aus Ferriten oder sintermetallurgisch aus ferromagnetischen Pulvern hergestellt werden.

Eisen-Ringkerne bestehen aus einzelnen Blechlagen, die durch ein zu einem Ring aufgewickeltes Band gebildet werden. Das dünne Band, meist aus kornorientiertem Weicheisenblech, wird so gewickelt, dass in der Mitte ein Kernloch zur Durchführung der Kupferwicklungen freibleibt. Die Windungen aller Wicklungen werden möglichst gleichmäßig auf dem Eisenring verteilt, um Streufelder zu vermeiden. Dazu wird der Drahtvorrat einer Wicklung zunächst auf ein Magazin gewickelt, welches dann zum Aufbringen der Wicklung maschinell durch das Kernloch um den Kernring herum geführt wird.

Ringkerntransformatoren können mit höherer magnetischer Flussdichte und geringeren Hystereseverlusten arbeiten, wenn texturierte, also kornorientierte Blechbänder verwendet werden. Auch dies trägt maßgeblich zur Verringerung der Baugröße bei. Anders als bei einem gestanzten Blechschnitt für beispielsweise einen EI-Kern-Transformator liegt die Kornorientierung für alle Teile des Kerns in der für die Magnetfeldlinien günstigen Vorzugsrichtung. Ringkerne werden auch für Stelltransformatoren verwendet. Bei diesen kontaktiert ein drehbar gelagerter Schleifer die einzelnen Spulenwindungen. Zur Kontaktgabe für den Schleifer sind die Windungen der Spule an den Außenseiten freigelegt, wobei die Isolierung der Lackdrähte abgeschliffen wird.

Trotz ihrer Vorteile kommen Ringkerntransformatoren für 50 Hz erst in den letzten Jahren mehr und mehr zum Einsatz, weil u. a. die Bewicklung eines geschlossenen Ringkerns aufwendiger ist. Inzwischen kann man jedoch Kerne bis zu 100 kW Leistung mit Automaten bewickeln.

Aufgrund der wertvollen Materialien für den Kern und die Wicklung besitzt der Ringkerntransformator gegenüber anderen Bauformen Vorteile, da er bei gegebener Leistung die geringsten Materialmengen benötigt. Seine Fertigung ist jedoch aufwendiger.
Ringkerntransformatoren lassen sich gut in Anwendungen einsetzen, wo es auf geringste Standby-Verluste ankommt. Durch Überdimensionieren des Transformators lassen sich darüber hinaus auch bei Belastung die Kupfer-Verluste verringern; sie betragen bei 50% Teillast nur noch 1/4 derjenigen bei Nennlast.

Beispiel

Ein 1-kVA-Ringkerntrafo hat ca. 6 Watt Eisenverluste (entspricht etwa dem Leerlaufverlust), ein 1-kVA-EI-Trafo hat dagegen ca. 45 Watt Eisenverluste. Die Kupferverluste sind bei beiden Trafotypen bei 1kVA Größe mit ca. 24 Watt etwa gleich. Wählt man für diese Anwendung einen 2-kVA-Transformator, entwickelt die Ringkern-Bauform bei 1 kW Last

12 + 24/4 = 18 Watt,

ein Trafo mit EI-Kern dagegen

90 + 24/4 = 96 Watt

Verlustleistung.

Ringkerntransformatoren verursachen aufgrund der hohen Remanenz im Kern beim Einschalten große Stromspitzen, weil ihr Kern dabei leichter als bei anderen Transformatoren in Sättigung geraten kann. Diese Stromspitzen lassen sich durch Sanftanlaufgeräte oder Transformatorschaltrelais völlig vermeiden oder mit Einschaltstrombegrenzern (NTC) soweit verringern, dass Schalter und Sicherungen geschont werden.

Ringkerntransformatoren werden für spezielle Anwendungen auch mit amorphen und nanokristallinen Bändern hergestellt.

Schnittbandkern

Eine Kompromisslösung stellen Schnittbandkerne dar: ein Blechband (Dicke 0,025–0,3 mm) wird auf einen Dorn mit rechteckigem Querschnitt aufgewickelt und verklebt. Anschließend wird der Wickel in der Mitte quer zerteilt und die Trennflächen werden poliert. Die Hälften werden dann in die bewickelten Spulenkörper gesteckt und verklebt. Für Schnittbandkerne werden ebenfalls auch texturierte Blechbänder eingesetzt.
Schnittbandkerne haben aufgrund ihrer Restluftspalte eine kleine Remanenz und damit kleinere Einschaltströme als Ringkerntransformatoren. Durch die beiden Rest-Luftspalte im Kern und dessen rechteckige Form ist die Materialausnutzung jedoch nicht so hoch wie beim Ringkerntransformator.
Schnittbandkerne haben dennoch ähnlich gute Eigenschaften wie Ringkerne, die Wicklungsherstellung ist gegenüber jenen einfacher, die Schnittbandkern-Herstellung ist jedoch etwas teurer gegenüber anderen Kernbauformen.

Baureihen: SM, SE, SU, SG, S3U
Siehe auch: DIN 41309 und IEC 329

Gestapelte Blechkerne

Die meisten Transformatoren für Netzfrequenz und bis etwa 400 Hz (bei Übertragern bis 20 kHz) bestehen aus gestapelten Eisenblechen. Folgende Formen sind gebäuchlich:

  • EI-Kern: gleichsinnig (Luftspalt!) oder wechselseitig geschichteter Stapel aus Blechen in E- und I-Form; die Außenschenkel der E-Bleche sind halb so breit wie der Mittelschenkel; ein Wickel auf dem Mittelschenkel. Der Luftspalt (gleichsinnige Montage) ist bei der Montage durch Zwischenlagen variierbar.
  • M-Kern: Blechform in der Form eines unten geschlossenen M, der Mittelteil ist am Ende unterbrochen, um die Bleche in den Wickel stapeln zu können, ein Wickel auf dem Mittelschenkel. M-Kerne bzw. -Bleche können einen Luftspalt aufweisen. Der Mittelschenkel ist doppelt so breit wie die Außenschenkel.
  • UI-Kern: wechselseitig gestapelte Bleche in der Form eines U und eines I; zwei Spulenwickel auf den langen Seiten des U.
  • LL-Kern: zwei L-förmige Bleche werden jeweils umgekehrt gegeneinander gelegt und wechselseitig orientiert gestapelt. Zwei Wickel auf den langen Seiten. LL-Kerne können eine Jochverstärkung aus rechteckigen Blechen neben den Wickeln aufweisen, wenn längs der Wickel texturierte (kornorientierte) Bleche zum Einsatz kommen.
  • Die Bleche von Kernen für die jeweils drei Spulensätze von Drehstromtransformatoren sind rechteckig mit speziellen Maßen zugeschnitten und ineinander geschachtelt oder sie bestehen aus E-förmigen Blechen gleicher Schenkelbreiten sowie zugehörigen, die "E"-Enden überbrückenden I-Blechen für das Joch.

Drehstromtransformator

Drehstrom-Trockentransformator

→ Hauptartikel: Dreiphasenwechselstrom-Transformator

Der aus drei einzelnen "Stromphasen" bestehende Drehstrom lässt sich prinzipiell mit drei gleichen Einphasentransformatoren übertragen. Effizienter ist es jedoch, die drei Eisenkerne zu einem gemeinsamen Kern mit drei Schenkelteilen zusammenzufassen. Die Schenkel sind in der praktischen Ausführung nebeneinander angeordnet und oben und unten mit jeweils einem Kern-Joch von gleicher Stärke wie die Schenkel verbunden.

In den Schenkelkernen sind die magnetischen Flüsse wirksam, die sich gemäß der jeweils zugeordneten Wechselstromphase verändern. Der Phasenwinkel zwischen den drei einzelnen Wechselströmen beträgt jeweils ±120°, sodass sich die Magnetfelder in den verbindenden Jochen im Idealfall zu Null hin aufheben.

Drehstromtransformatoren werden mit Nennleistungen von etwa 100 VA bis 1100 MVA gebaut.

Die Formel für das Übersetzungsverhältnis ü = n1/n2 gilt für Drehstromtransformatoren nur bei gleicher Schaltung von Ober- und Unterspannungsseite wie etwa bei der Schaltgruppe Yy0.

Bei besonders großen Transformatoren können zur besseren Transportierbarkeit drei Einphasentransformatoren zu einer „Drehstrombank“ zusammengesetzt werden. Hierbei müssen jedoch die Stufenschalter und viele Meldeeinrichtungen jeweils dreifach vorhanden sein, so dass diese Anordnung eher selten ausgeführt wird.

Vertiefende Themen

Modellbetrachtungen

→ Hauptartikel: Modell des Transformators

Die verschiedenen Modellbetrachtungen beschreiben, meist vereinfacht, die elektrischen und magnetischen Verhältnisse eines Transformators. Das Ziel ist durch die vorgenommenen Vereinfachungen und Beschränkungen auf wesentliche Einflussfaktoren Zusammenhänge und Gesetzmässigkeiten zu bilden und im Rahmen einer Theorie allgemein beschreiben zu können.

Einschaltstromstoß

→ Hauptartikel: Einschalten des Transformators

Das Einschalten eines Eisenkern-Transformators, also zum Beispiel eines Netztransformators, erzeugt meistens einen Einschaltstromstoß. Dabei gerät das Transformatoreisen mehr oder weniger in Sättigung und kann durch die anliegende Netzspannung für den Rest der Spannungshalbschwingung nicht mehr weiter magnetisiert werden. Der Strom, der dann zum Beispiel bei einem Einphasentransformators in die Primärspule hineinfließt, wird dann nur noch durch den Kupferwiderstand derselben begrenzt und kann dann einige Perioden lang einen erhöhten Wert und zu Beginn das etwa fünf- bis achtzigfache des Nennstromes betragen. Je höher die Effizienz des Transformators, desto höher kann dieser Wert sein.

Anwendungen

Geöffneter Transformator einer Elektrolokomotive, erkennbar sind die Anzapfungen für verschiedene Schaltstufen

Normen und geltende Richtlinien für Transformatoren

Ein Transformator, der mit Spannungen bis 1000 Volt betrieben wird, darf innerhalb der Europäischen Union nur dann in den Handel und in den Betrieb gebracht werden, wenn er entsprechend der europäischen Niederspannungsrichtlinie beschaffen ist. In Deutschland wird dies mit der Anwendung der Ersten Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz umgesetzt.

Neben der allgemein für alle elektrische Geräte geltenden Niederspannungsrichtlinie muss ein Transformator in Europa noch mit weiteren spezielleren Regelungen übereinstimmen, speziell der jeweiligen nationalen Fassung der Norm EN 61558 IEC 61558.

Die Übereinstimmung des Transformators mit den europäischen Richtlinien wird mit der CE-Kennzeichnung dokumentiert. Der Transformator kann dann ohne weitere Kontrollen und Prüfungen innerhalb der EU in den Verkehr gebracht werden. In Teil 1 der EN 61558 IEC 61558 werden allgemeine Anforderungen und Prüfungen beschrieben. Im Teil 2 sind die speziellen Transformatortypen wie z. B. Sicherheitstransformatoren (Teil 2–6) oder Schaltnetzteiltransformatoren (Teil 2–17) jeweils als eigene Norm aufgeführt, die sich jedoch auf Teil 1 für die grundlegenden Anforderungen beziehen.

Deutsche DIN-Fassung der Europäischen Norm EN 61558 IEC 61558 (bzw. die entsprechenden VDE-Richtlinien-Dokumente) für Transformatoren sind:

  • DIN EN 61558-2-1 (VDE 0570 Teil 2-1): 1998-07, Sicherheit von Transformatoren, Netzgeräten, Besondere Anforderungen an Netztransformatoren für allgemeine Anwendungen
  • DIN EN 61558-2-2 (VDE 0570 Teil 2-2): 1998-10, Besondere Anforderungen an Steuertransformatoren
  • DIN EN 61558-2-3 (VDE 0570 Teil 2-3): 2000-09, Besondere Anforderungen an Zündtransformatoren für Gas- und Ölbrenner
  • DIN EN 61558-2-4 (VDE 0570 Teil 2-4): 1998-07, Besondere Anforderungen an Trenntransformatoren für allg. Anwendungen
  • DIN EN 61558-2-6 (VDE 0570 Teil 2-6): 1998-07, Besondere Anforderungen an Sicherheitstransformatoren für allgemeine Anwendungen
  • DIN EN 6158-2-8 (VDE 0570 Teil 2-8): 1999-06, Besondere Anforderungen an Klingel- und Läutewerkstransformatoren
  • DIN EN 61558-2-13 (VDE 0570 Teil 2-13): 2000-08, Besondere Anforderungen an Spartransformatoren für allg. Anwendungen
  • DIN EN 61558-2-15 (VDE 0570 Teil 2-15): 2001-11, Anforderungen für Trenntransformatoren zur Versorgung medizinischer Räume
  • DIN EN 61558-2-17 (VDE 0570 Teil 2-17): 1998-07, Besondere Anforderungen an Transformatoren für Schaltnetzteile
  • DIN EN 61558-2-19 (VDE 0570 Teil 2-19): 2001-09, Besondere Anforderungen an Störminderungstransformatoren
  • DIN EN 61558-2-20 (VDE 0570 Teil 2-20): 2001-04, Besondere Anforderungen an Kleindrosseln

Siehe auch

Literatur

  • Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektrische Maschinen. 5 Auflage. Teubner Verlag, 2003, ISBN 3-519-46821-2.
  • Rudolf Janus: Transformatoren. VDE-Verlag, ISBN 3-8007-1963-0.
  • Helmut Vosen: Kühlung und Belastbarkeit von Transformatoren. VDE-Verlag, ISBN 3-800-72225-9.
  • Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 12 Auflage. Hanser, ISBN 3-446-22693-1, S. 408.
  • Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-29664-6.

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Transformator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

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